EP0502867A1 - Process and device for the measurement of distances in gases and liquids using ultrasonics. - Google Patents

Process and device for the measurement of distances in gases and liquids using ultrasonics.

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EP0502867A1
EP0502867A1 EP90916697A EP90916697A EP0502867A1 EP 0502867 A1 EP0502867 A1 EP 0502867A1 EP 90916697 A EP90916697 A EP 90916697A EP 90916697 A EP90916697 A EP 90916697A EP 0502867 A1 EP0502867 A1 EP 0502867A1
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Dans le procédé pour la mesure de distance dans les gaz et les liquides par ultrasons, une impulsion sonore est engendrée dans un capteur (20) et dirigée sur un objet réfléchissant (24) ainsi que sur un réflecteur auxiliaire (p. ex. 30), et la distance de l'objet est déterminée par la durée du parcours du son. Afin d'augmenter la précision de mesure, un deuxième réflecteur auxiliaire (32) est disposé à une distance R prédéterminée et connue par rapport au premier réflecteur auxiliaire (30), l'intervalle t2 moins t1 des réflections des deux réflecteurs auxiliaires (30, 32) est saisi, et sur cette base est déterminée la vitesse du son v au moyen de la distance géométrique R connue. La valeur ainsi obtenue de la vitesse du son v est utilisée pour le calcul de la distance de l'objet.In the method for distance measurement in gases and liquids by ultrasound, a sound pulse is generated in a sensor (20) and directed at a reflecting object (24) as well as at an auxiliary reflector (eg 30). , and the distance to the object is determined by the length of time the sound travels. In order to increase the measurement accuracy, a second auxiliary reflector (32) is arranged at a predetermined and known distance R from the first auxiliary reflector (30), the interval t2 minus t1 of the reflections of the two auxiliary reflectors (30, 32) is entered, and on this basis is determined the speed of sound v by means of the known geometric distance R. The resulting value of the speed of sound v is used to calculate the distance to the object.

Description

Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Abstand&τiessung in Gasen und Flüssigkeiten mittels Ultraschall Name: Method and device for distance & τiessung in gases and liquids by means of ultrasound
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abstands essung in Gasen und Flüssigkeiten mittels Ultraschall, bei demThe invention relates to a method for measuring distances in gases and liquids by means of ultrasound, in which
- ein Schallimpuls in einem Sensor erzeugt und auf ein reflektie¬ rendes Objekt sowie einen Hilfsreflektor gerichtet wird unda sound pulse is generated in a sensor and is directed onto a reflecting object and an auxiliary reflector, and
- über die Schallaufzeit die Entfernung ermittelt wird,- the distance is determined via the sound propagation time,
sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.and a device operating according to this method.
Bei Abstandsmessungen mittels Ultraschall ist die Genauigkeit der Ab- standsbestimmung entscheidend abhängig von der präzisen Kenntnis der Schallgeschwindigkeit und der exakten Laufzeit eines Schallimpulses. Grundsätzlich können durch Messung mittels Ultraschall sehr präzise Abstandsmessungen durchgeführt werden, mit den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik läßt sich jedoch die prinzipiell erreichbare Genau¬ igkeit nicht ausschöpfen, weil Schallgeschwindigkeit und/oder Impuls¬ laufzeit mit Fehlern erfaßt werden.In the case of distance measurements using ultrasound, the accuracy of the distance determination is crucially dependent on the precise knowledge of the speed of sound and the exact transit time of a sound pulse. In principle, very precise distance measurements can be carried out by measurement by means of ultrasound, but the devices which are obtainable according to the prior art cannot exploit the accuracy that can be achieved in principle, because the speed of sound and / or the pulse transit time are recorded with errors.
Bei dem Verfahren und der nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrich¬ tung der eingangs genannten Art (DE-OS 36 21819) wird entlang der Laufstrecke des Schalls eine zeitlich konstante Luftströmung aufrecht erhalten, hierdurch können Unregelmäßigkeiten der Schallausbreitung entlang der Laufstrecke vermieden werden. Dabei wird die Qualität der Laufstrecke des Schallimpulses aktiv beeinflußt und vorbereitet, damit unter den jeweiligen Meßbedingungen eine möglichst homogene, zeitkon¬ stante Schallfortpflanzung sicher gestellt ist. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit entscheidend verbessert.In the method and the device of the type mentioned at the outset (DE-OS 36 21819) which operates according to this method, a time-constant air flow is maintained along the path of the sound, thereby making it possible to avoid irregularities in the propagation of sound along the path. The quality of the path of the sound pulse is actively influenced and prepared so that the most homogeneous, time-constant sound propagation is ensured under the respective measurement conditions. As a result, the measurement accuracy is significantly improved.
Die Schallgeschwindigkeit wird bei dem vorbekannten Verfahren durch Messen der Impulslaufzeit zwischen dem Gebersensor und einem Hilfsre¬ flektor ermittelt. Dieses Verfahren führt jedoch nicht zu exakten Ergebnissen, weil die zugrunde gelegte Voraussetzung, daß der den Schwinger ansteuernde Sendeimpuls und die entstehende Schallwelle absolut phasenkonstant zueinander sind, in der Praxis nicht erfüllt ist. Vielmehr hat sich anhand vielfältiger Messungen gezeigt, daß die Phasenbeziehung zwischen dem elektrischen Sendeimpuls und der abgege¬ benen Schallwelle sowohl temperaturabhängig ist als auch von der Ein¬ schaltzeit beeinflußt wird. Im allgemeinen verschiebt sich nach Ein¬ schalten einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Phase bis zu einem gewissen Betrag und bleibt nach einer Einlaufzeit des Gerätes im wesentlichen konstant. Welche Verhältnisse im Zeitpunkt einer bestimm¬ ten Messung vorliegen, wird jedoch bei dem vorbekannten Verfahren nicht geprüft.In the previously known method, the speed of sound is determined by measuring the pulse transit time between the transmitter sensor and an auxiliary reflector. However, this method does not lead to exact results because the prerequisite on which the transmission pulse controlling the oscillator and the sound wave generated are absolutely phase-constant to one another is not met in practice is. Rather, it has been shown on the basis of various measurements that the phase relationship between the electrical transmission pulse and the emitted sound wave is both temperature-dependent and is influenced by the switch-on time. In general, after switching on a device of the type mentioned at the beginning, the phase shifts to a certain amount and remains essentially constant after the device has run in. Which conditions exist at the time of a particular measurement is not checked in the previously known method.
Darüberhinaus ist aus dem Stand der Technik eine Temperaturkompensa¬ tion und damit Ermittlung der Schallgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme eines zweiten Sensors bekannt. Diese Art der Kompensation ist prak¬ tisch gleich mit dem oben genannten Verfahren, jedoch lassen sich kleinere Baugrößen des das Objekt erfassenden Sensors realisieren. Nachteilig an der getrennten Anordnung ist, daß die Umgebungstempera¬ turen beider Sensoren gleich sein müssen und daß nun sogar zwei Geber einen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Ungünstig ist zudem, daß zwei Verstärker oder ein Multiplexer notwendig sind und Temperaturänderun¬ gen nur mit einer gewissen Verzögerungszeit erfaßt werden.In addition, a temperature compensation and thus determination of the speed of sound with the aid of a second sensor is known from the prior art. This type of compensation is practically the same as the method mentioned above, but smaller sizes of the sensor that detects the object can be realized. A disadvantage of the separate arrangement is that the ambient temperatures of both sensors must be the same and that even two sensors now have an influence on the measurement result. It is also unfavorable that two amplifiers or a multiplexer are necessary and temperature changes are only detected with a certain delay time.
Schließlich ist eine Temperaturkompensation mittels eines Temperatur¬ fühlers vorbekannt. Diese Art der Temperaturkompensation ist zweifel¬ los einfach und preiswert, da ein separater Hilfsreflektor, der einen genauen Abstand zum Sensor aufweisen muß, entfällt. Die Genauigkeit der gemessenen Entfernung liegt aber nur knapp unter der Ein-Millime- ter-Grenze, da temperaturabhängige elektromechanische Kenndaten des Sensors nicht kompensiert werden können und außerdem Temperaturände¬ rungen wegen der Trägheit des Meßwertaufnehmers nicht ausreichend rasch erfaßbar sind.Finally, temperature compensation by means of a temperature sensor is previously known. This type of temperature compensation is undoubtedly simple and inexpensive, since there is no need for a separate auxiliary reflector, which must be at a precise distance from the sensor. However, the accuracy of the measured distance is only just below the one-millimeter limit, since temperature-dependent electromechanical characteristic data of the sensor cannot be compensated for and, moreover, temperature changes cannot be detected sufficiently quickly because of the inertia of the sensor.
Ausgehend von dem Verfahren und der nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtung der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieses Verfahrens bzw. der Vorrichtung zu vermeiden und Verfahren und Vorrichtung dahingehend weiterzuent- wickeln, daß eine präzisere Abstandsmessung in flüssigen oder gasför¬ migen Medien unabhängig von der Einschaltdauer und den physikalischen Eigenschaften des Sensors erreicht wird. Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe ausgehend von dem vorbekannten Verfahren dadurch gelöst, daß im vorgegebenen, bekannten Abstand zum ersten Hilfsreflektor ein zweiter Hilfsreflektor angeordnet wird, daß der zeitliche Abstand der Echos von den beiden Hilfsreflektoren erfaßt und mittels des bekannten Abstandes der Hilfsreflektoren voneinander hieraus die Schallgeschwindigkeit ermittelt wird, und daß der so er¬ haltene Wert der Schallgeschwindigkeit zur Berechnung des Abstandes des Objekts eingesetzt wird.On the basis of the method and the device of the type mentioned at the outset, the object of the invention is to avoid the disadvantages of this method or the device and to further develop the method and the device in such a way that a more precise distance measurement in liquid or gas media regardless of the duty cycle and the physical properties of the sensor. In terms of method, this problem is solved on the basis of the previously known method in that a second auxiliary reflector is arranged at the predetermined, known distance from the first auxiliary reflector, that the time interval of the echoes from the two auxiliary reflectors is detected and the speed of sound is determined therefrom by means of the known distance of the auxiliary reflectors and that the value of the speed of sound obtained in this way is used to calculate the distance of the object.
Erfindungsgemäß wird als Referenzstrecke also nicht mehr der Abstand zwischen Sensor und einem Hilfsreflektor eingesetzt, vielmehr werden zwei Hilfsreflektoren benutzt, deren Abstand so präzise wie möglich einerseits bekannt und andererseits eingehalten wird (was durch eine ausreichend solide mechanische Konstruktion erreicht wird) . Dadurch läßt sich die Schallaufzeit zwischen den beiden Hilfsreflektoren unab¬ hängig von der Phasenbeziehung zwischen dem elektrischen Sendeimpuls und dem tatsächlich abgestrahlten Schallimpuls erfassen. Da zudem die von den beiden Hilfsreflektoren stammenden Echos weitgehend überein¬ stimmen (ähnlich sind) , läßt sich der Ein- und Ausschaltpunkt der elektronischen Zeitmessung besser als bei den vorbekannten Verfahren definieren, so daß auch in dieser Hinsicht die Zeiterfassung verbes¬ sert wird.According to the invention, the distance between the sensor and an auxiliary reflector is no longer used as the reference path, but rather two auxiliary reflectors are used, the distance of which is known as precisely as possible on the one hand and is maintained on the other hand (which is achieved by a sufficiently solid mechanical construction). As a result, the sound propagation time between the two auxiliary reflectors can be detected independently of the phase relationship between the electrical transmit pulse and the actually emitted sound pulse. Since, moreover, the echoes originating from the two auxiliary reflectors largely coincide (are similar), the switch-on and switch-off point of the electronic time measurement can be defined better than in the previously known methods, so that the time recording is also improved in this regard.
Als sehr vorteilhaft hat es sich herausgestellt, in einer Weiterbil¬ dung die Schallaufzeit zwischen dem Objekt und einem der Hilfsreflek¬ toren zu messen und aus dem dabei erhaltenen Wert und der zwischen den beiden Hilfsreflektoren ermittelten Schallgeschwindigkeit die Entfer¬ nung des Objekts von dem Hilfsreflektor zu bestimmen. Auf diese Weise wird auch die Abstandsmessung zum Objekt präziser, da sie nun nicht mehr von der Phasenbeziehung zwischen elektrischem Sendeimpuls und akustisch abgegebenem Impuls abhängt und wiederum der Vorteil vor¬ liegt, daß die Impulslaufzeit aus zwei im wesentlichen gleichartigen akustischen Signalen abgeleitet wird. Die Erfindung ermöglicht es, die Abstandsmessung weitgehend von den speziellen Eigenschaften und dem temporären Zustand des Sensors zu entkoppeln. Hierdurch wird die Me߬ genauigkeit deutlich verbessert. In einer Weiterbildung hat sich die Kombination mit dem ansich bekann¬ ten Verfahren, entlang der Laufstrecke des Schalls eine zeitlich kon¬ stante Gas- bzw. Flüssigkeitsströmung aufrecht zu erhalten, besonders bewährt. Durch die ansich bekannte Homogenisierung der Meßstrecke, in der sich auch die beiden Hilfsreflektoren befinden, werden präzise Voraussetzungen für die Abstandsmessung geschaffen.It has proven to be very advantageous in a further development to measure the sound propagation time between the object and one of the auxiliary reflectors and from the value obtained and the speed of sound determined between the two auxiliary reflectors to distance the object from the auxiliary reflector determine. In this way, the distance measurement to the object is also more precise, since it no longer depends on the phase relationship between the electrical transmit pulse and the acoustically emitted pulse, and again there is the advantage that the pulse transit time is derived from two essentially identical acoustic signals. The invention makes it possible to largely decouple the distance measurement from the special properties and the temporary state of the sensor. As a result, the measurement accuracy is significantly improved. In a further development, the combination with the known method of maintaining a time-constant gas or liquid flow along the path of the sound has proven particularly useful. The known homogenization of the measuring section, in which the two auxiliary reflectors are located, creates precise conditions for the distance measurement.
Es sei hier noch erwähnt, daß selbstverständlich aus den Abstandsme߬ werten mittels mathematischer Funktionen auch Dicken-, Durchmesser-, Qualitätsmessungen und andere Messungen durchgeführt werden können.It should also be mentioned here that, of course, thickness, diameter, quality measurements and other measurements can also be carried out from the distance measured values using mathematical functions.
Verfahrensmä ig hat es sich schließlich als vorteilhaft erwiesen, den Abstand zwischen den beiden Hilfsreflektoren so groß wie möglich aus¬ zubilden. Dadurch wird die Referenzstrecke einerseits möglichst groß, wodurch eine präzisere Messung möglich ist, andererseits stimmt sie mit einem möglichst großen Teil der Meßstrecke zum Objekt überein, so daß sich irgendwelche zufälligen Abweichungen herausmitteln. Da bei jedem einzelnen "Schuß" sowohl die Schallgeschwindigkeit als auch der Abstand zum Objekt erfaßt wird, liegt die jeweils aktuelle Schallge¬ schwindigkeit der tatsächlichen Meßstrecke zum Objekt mit umso größe¬ rer Genauigkeit vor, je weitgehender die Referenzstrecke zwischen den beiden Hilfsreflektoren und die Meßstrecke zwischen dem vorderen Hilfsreflektor und dem Objekt übereinstimmen.In terms of method, it has finally proven advantageous to make the distance between the two auxiliary reflectors as large as possible. This makes the reference path as large as possible on the one hand, whereby a more precise measurement is possible; Since both the speed of sound and the distance to the object are recorded for each individual "shot", the current sound speed of the actual measuring path to the object is present with greater accuracy, the more extensive the reference path between the two auxiliary reflectors and the measuring path match between the front auxiliary reflector and the object.
Vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe ausgehend von einer Vor¬ richtung zur Abstandsmessung mittels Ultraschall, die einen Meßkopf, der einen sendenden und vorzugsweise auch empfangenden Ultraschallsen¬ sor und eine Austrittsöffnung für die Ultraschallsignale hat und einen im Schallweg angeordneten Hilfsreflektor aufweist, dadurch gelöst, daß im Schallweg ein zweiter Hilfsreflektor vorgesehen ist, der im vorge¬ gebenen, zeitlich konstanten Abstand vom ersten Hilfsreflektor ange¬ ordnet ist.In terms of the device, the object is achieved on the basis of a device for distance measurement by means of ultrasound, which has a measuring head which has a transmitting and preferably also receiving ultrasound sensor and an outlet opening for the ultrasound signals and which has an auxiliary reflector arranged in the sound path, in that Sound path a second auxiliary reflector is provided, which is arranged at the predetermined, time constant distance from the first auxiliary reflector.
Durch diese Vorrichtung werden die bereits zum Verfahren erwähnten Vorteile erreicht. In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, die beiden Hilfsreflektoren möglichst gleichartig auszubilden. Hierdurch stimmen die von ihnen reflektierten Echosignale weitgehend überein, so daß eine präzise Messung möglich ist. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Aus- führungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu¬ tert wird. In dieser zeigen:This device achieves the advantages already mentioned for the method. In a further development it is proposed to design the two auxiliary reflectors as similarly as possible. As a result, the echo signals reflected by them largely match, so that a precise measurement is possible. Further advantages and features of the invention result from the following description of an exemplary embodiment which is not to be understood as restrictive and which is explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
Fig. 1 ein Schnittbild durch einen Meßkopf und ein reflektierendesFig. 1 is a sectional view through a measuring head and a reflective
Objekt sowie zwei Hilfsreflektoren, zur Erläuterung des Verfah¬ rens und der Vorrichtung undObject and two auxiliary reflectors, for explaining the method and the device and
Fig. 2 ein Impulsdiagramm für den Ablauf einer Messung.Fig. 2 is a timing diagram for the course of a measurement.
Bei der Ultraschall-Abstandsmessung wird ein im gezeigten Ausführungs- beispiel sendender und empfangender Sensor 20 mit einem elektrischen Sendeimpuls beaufschlagt, der in einen akustischen Schallimpuls umge¬ setzt wird. Dieser breitet sich entlang einer Ausbreitungsrichtung 22 aus, in Figur 1 nach unten, und gelangt auf ein Objekt 24. Dort wird ein Teil des Schallimpulses in Richtung der Ausbreitungsrichtung 22 reflektiert und gelangt wieder in den Sensor 20, der nach Senden des Schallimpulses nunmehr als empfangender Sensor benutzt wird. Die Aus¬ breitung des Schalls ist durch Pfeile 26 angedeutet.In the ultrasonic distance measurement, a sensor 20 transmitting and receiving in the exemplary embodiment shown is subjected to an electrical transmission pulse, which is converted into an acoustic sound pulse. This propagates along a direction of propagation 22, downwards in FIG. 1, and reaches an object 24. There, a part of the sound pulse is reflected in the direction of the direction of propagation 22 and again reaches the sensor 20, which after receiving the sound pulse is now received Sensor is used. The propagation of the sound is indicated by arrows 26.
Entlang der Laufstrecke des Schallimpulses wird in ansich bekannter Weise eine Luftströmung (in einer anderen Alternative: eine Flüssig¬ keitsströmung) aufrecht erhalten, um Unregelmäßigkeiten der Schallaus¬ breitung entlang der Laufstrecke, also in Ausbreitungsrichtung 22, zu' vermindern. In der gezeigten Ausführung (Fig. 1) strömt ein Luft¬ strahl, der durch die Pfeile 28 angedeutet ist, in Ausbreitungsrich¬ tung 22 und schafft für den Schall 26 einen vorgegebenen, wohldefi¬ nierten Ausbreitungsweg, auf dem die Schallgeschwindigkeit konstant ist. Da der Luftstrahl sich zeitlich nicht ändert, vielmehr konstant gehalten wird, bleibt die Schallgeschwindigkeit in Ausbreitungsrich¬ tung 22 ebenfalls konstant, jedenfalls während der Dauer einer Mes¬ sung, so daß definierte Verhältnisse vorliegen. Zu den konstruktiven Einzelheiten über die Herstellung einer Luftströmung wird auf den Offenbarungsgehalt der DE-OS 36 21 819 verwiesen.Along the route of the acoustic pulse is in a known way a flow of air (in another alternative: a liquid-keitsströmung) maintained to irregularities of the Schallaus¬ spread along the running route, that is in the propagation direction 22, to reduce '. In the embodiment shown (FIG. 1), an air jet, which is indicated by the arrows 28, flows in the direction of propagation 22 and creates a predetermined, well-defined propagation path for the sound 26, on which the speed of sound is constant. Since the air jet does not change in time, but rather is kept constant, the speed of sound in the direction of propagation 22 also remains constant, at least during the duration of a measurement, so that defined conditions are present. Regarding the constructive details about the production of an air flow, reference is made to the disclosure content of DE-OS 36 21 819.
In Ausbreitungsrichtung 22 befinden sich vor dem Sensor 20 ein erster und ein zweiter Hilfsreflektor 30, 32. Sie sind gleich und in einem festen Abstand R mechanisch dauerhaft und präzise voneinander angeord¬ net. Wie Fig. 1 zeigt, sind beide Hilfsreflektoren 30, 32 identisch aufgebaut, der Abstand R ist von' einer glatten, quer zur Ausbreitungs¬ richtung 22 verlaufenden und zum Sensor 20 gewandten Fläche aus ge¬ messen, wie dies auch Fig. 1 zeigt. Ebenfalls eingezeichnet ist in Fig. 1 der Abstand d zwischen der beschriebenen Vorderfläche des er¬ sten Hilfsreflektors 30 und der Oberfläche des Objekts 24. Dieser Abstand d ist die Meßgröße.In the direction of propagation 22 there are a first and a second auxiliary reflector 30, 32 in front of the sensor 20. They are the same and in one fixed distance R mechanically permanently and precisely from each other. As Fig. 1 shows both sub-reflectors 30, identical in structure 32, the distance R is of 'a smooth transverse direction to Ausbreitungs¬ 22 extending and facing the sensor 20 surface from ge measure, as well as Fig. 1 shows. Also shown in FIG. 1 is the distance d between the described front surface of the first auxiliary reflector 30 and the surface of the object 24. This distance d is the measurement variable.
An den beiden Hilfsreflektoren 30, 32 wird ein Teil des Ultraschallim¬ pulses reflektiert, dies ist durch entsprechende Pfeile kenntlich gemacht. Der reflektierte Anteil, der den Sensor 20 erreicht, wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die einzelnen Signale werden anhand von Fig. 2 erläutert: Mit 34 ist dort das eigentliche Sendesig¬ nal bezeichnet, das jedoch erfindungsgemäß keine Rolle spielt, viel¬ mehr ermöglicht es die Erfindung, jegliche Referenz zu diesem Sende- signal auszuschließen. Dies gibt vorrichtungsmäßig wiederum die Mög¬ lichkeit, während der Zeitdauer des Sendesignals den Empfangskanal vollständig zu sperren und ihn erst nach einer Totzeit, die etwas kürzer ist als die noch zu besprechende Zeit tl, zu öffnen.Part of the ultrasound pulse is reflected on the two auxiliary reflectors 30, 32; this is indicated by corresponding arrows. The reflected portion that reaches sensor 20 is converted into an electrical signal. The individual signals are explained with reference to FIG. 2: The actual transmission signal is designated by 34, which, however, does not play a role according to the invention. Rather, the invention enables any reference to this transmission signal to be excluded. In terms of the device, this in turn gives the possibility of completely blocking the reception channel during the period of the transmission signal and of opening it only after a dead time which is somewhat shorter than the time t1 still to be discussed.
Als erstes Echo nach Aussendung eines Schallimpulses erreicht der am ersten Hilfsreflektor 30 reflektierte Schallanteil den Sensor 20, er führt zu einem elektrischen Signal 36, das zur Zeit tl auftritt. Als nächstes trifft der vom zweiten Hilfsreflektor 32 reflektierte Schall¬ anteil im Sensor 20 ein, er führt dort zu einem elektrischen Signal 38, das zum Zeitpunkt t2 auftritt. Zeitlich danach trifft das Echo vom Objekt 24 ein, das zu einem elektrischen Signal 40 führt.As a first echo after the transmission of a sound pulse, the sound component reflected at the first auxiliary reflector 30 reaches the sensor 20, it leads to an electrical signal 36 which occurs at time t1. The sound component reflected by the second auxiliary reflector 32 arrives next in the sensor 20, where it leads to an electrical signal 38 which occurs at the time t2. After that, the echo from object 24 arrives, which leads to an electrical signal 40.
Die Zeitdauer t2 minus tl ist der doppelte Weg R also die Referenz¬ strecke, demgemäß ist diese Zeitdauer auch in Fig. 2 mit 2R bezeich¬ net. Da der Abstand R der beiden Hilfsreflektoren 30, 32 so präzise wie möglich vorgegeben ist, also mechanisch und thermisch stabil ist, kann über die Zeitdauer t2 minus tl und die Strecke 2R die Schallge¬ schwindigkeit v errechnet werden. Die so erhaltene Schallgeschwindig¬ keit wird mit der Zeitdauer t3 minus tl multipliziert und ergibt den Abstand des Objektes 24 vom ersten Hilfsreflektor 30. Damit ist die Messung abgeschlossen. Erfindungsgemäß wird also mit ein- und demselben Schallimpuls sowohl die Strecke R ausgemessen und hieraus die jeweilige Schallgeschwindig¬ keit berechnet als auch die Zeitdauer ermittelt, mit der der Schall die Strecke 2d zurücklegt. Messung und Referenzmessung erfolgen also jeweils gleichzeitig, so daß trägheitsfrei irgendwelche Temperaturun¬ terschiede in der Laufstrecke sich im tatsächlichen Meßergebnis herausmitteln. Weiterhin werden für die Messungen lediglich akustische Echos (und nicht der Sendeimpuls) herangezogen.The time period t2 minus tl is the double path R, ie the reference path, accordingly this time period is also designated 2R in FIG. 2. Since the distance R between the two auxiliary reflectors 30, 32 is specified as precisely as possible, that is to say is mechanically and thermally stable, the sound speed v can be calculated over the time period t2 minus tl and the distance 2R. The sound speed obtained in this way is multiplied by the time period t3 minus tl and results in the distance of the object 24 from the first auxiliary reflector 30. The measurement is thus completed. According to the invention, the distance R is thus measured with one and the same sound pulse and the respective sound speed is calculated from this, and the time period with which the sound travels the distance 2d is determined. Measurement and reference measurement are therefore carried out simultaneously, so that any temperature differences in the running distance are averaged out in the actual measurement result without inertia. Furthermore, only acoustic echoes (and not the transmission pulse) are used for the measurements.
Die Referenzstrecke R wird möglichst groß gewählt, je größer sie ge¬ wählt ist, umso genauer ist die Temperaturkompensation, und umso prä¬ ziser wird auch die Meßstrecke d erfaßt. Die Strecke 2d - 2R sollte so klein wie möglich sein, die Strecke 2R so groß wie möglich.The reference path R is chosen to be as large as possible, the larger it is selected, the more precise the temperature compensation, and the more precisely the measuring path d is detected. The section 2d - 2R should be as small as possible, the section 2R as large as possible.
Die Ausbildung der Hilfsreflektoren 30, 32 ist ansich beliebig. Als sehr vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Hilfsreflektoren in einem Rohrabschnitt eines Austrittsteils anzuordnen. Dabei können die Hilfs¬ reflektoren lokal angeordnete Stege sein oder ringförmig an der Innen¬ wand des Rohrs umlaufen, sie können als Gitter, als Speichen, die bis in die Nähe der Rohrmitte reichen oder dergleichen ausgeführt sein. Grundsätzlich ist die geometrische Ausbildung der Hilfsreflektoren 30, 32 beliebig, bei ihrer Konstruktion muß nur darauf geachtet werden, daß sie mechanisch und thermisch stabil sind.The design of the auxiliary reflectors 30, 32 is itself arbitrary. It has proven to be very advantageous to arrange the auxiliary reflectors in a tube section of an outlet part. The auxiliary reflectors can be locally arranged webs or can run in a ring on the inner wall of the tube, they can be designed as grids, as spokes that extend into the vicinity of the center of the tube or the like. Basically, the geometrical design of the auxiliary reflectors 30, 32 is arbitrary, with their construction only care must be taken that they are mechanically and thermally stable.
Aus dem Obenstehenden ergibt sich, daß der Ort, an dem sich der Sensor 20 befindet, für die Messung ohne Bedeutung ist. Entscheidend für die Meßgenauigkeit ist lediglich die Konstanz des Abstandes R der Hilfsre¬ flektoren 30, 32, weil dieser Abstand multipliziert mit dem Verhältnis der Laufzeiten t3 minus tl zu t2 minus tl den Meßabstand d ergibt. Eine besondere Justierung des Sensors 20 innerhalb des Gehäuses des Meßkop¬ fes ist somit nicht erforderlich. From the above it follows that the location at which the sensor 20 is located is of no importance for the measurement. Only the constancy of the distance R of the auxiliary reflectors 30, 32 is decisive for the measuring accuracy, because this distance multiplied by the ratio of the running times t3 minus tl to t2 minus tl gives the measuring distance d. A special adjustment of the sensor 20 within the housing of the measuring head is therefore not necessary.

Claims

An s p r ü c he Expectations
1. Verfahren zur Abstandsmessung in Gasen und Flüssigkeiten mittels Ultraschall, bei dem1. Method for distance measurement in gases and liquids by means of ultrasound, in which
- ein Schallimpuls in einem Sensor (20) erzeugt und auf ein re¬ flektierendes Objekt (24) sowie einen Hilfsreflektor (z. B. 30) gerichtet wird und- A sound pulse is generated in a sensor (20) and directed onto a reflecting object (24) and an auxiliary reflector (eg 30) and
- über die Schallaufzeit die Objektentfernung ermittelt wird,- the object distance is determined via the sound propagation time,
dadurch gekennzeichnet, daß im vorgegebenen, bekannten Abstand R zum ersten Hilfsreflektor (30) ein zweiter Hilfsreflektor (32) angeordnet wird, daß der zeitliche Abstand t2 minus tl der Refle¬ xionen von den beiden Hilfsreflektoren (30, 32) erfaßt und hieraus mittels des bekannten geometrischen Abstandes R die Schallgeschwin¬ digkeit v ermittelt und der so erhaltene Wert der Schallgeschwin¬ digkeit v zur Bereichnung des Abstandes des Objekts (24) eingesetzt wird.characterized in that a second auxiliary reflector (32) is arranged at the predetermined known distance R from the first auxiliary reflector (30), that the time interval t2 minus tl of the reflections from the two auxiliary reflectors (30, 32) is detected and from this by means of the Known geometric distance R, the sound speed v is determined and the value of the sound speed v obtained in this way is used to increase the distance of the object (24).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Laufstrecke (Ausbreitungsrichtung 22) des Schalls eine zeitlich konstante Gas- bzw. Flüssigkeitsströ ung aufrecht erhalten wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a time-constant gas or liquid flow ung is maintained along the running path (direction of propagation 22) of the sound.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufzeit zwischen dem Objekt (24) und einem Hilfsreflektor3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the sound propagation time between the object (24) and an auxiliary reflector
(z. B. 30) gemessen und aus dem dabei erhaltenen Wert (t2 minus tl) und der zwischen den beiden Hilfsreflektoren (30, 32) ermittelten Schallgeschwindigkeit v die Entfernung d des Objekts (24) von dem einen Hilfsreflektor (30) ermittelt wird.(e.g. 30) and the distance d of the object (24) from the one auxiliary reflector (30) is determined from the value obtained (t2 minus tl) and the speed of sound v determined between the two auxiliary reflectors (30, 32) .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß'der Abstand zwischen den Hilfsreflektoren (30, 32) soweit wie möglich dem zu erwartenden Meßabstand d angenähert wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the distance between the auxiliary reflectors (30, 32) is as close as possible to the expected measuring distance d.
5. Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Ultraschall mit einem Me߬ kopf, der einen sendenden und vorzugsweise auch empfangenden Ultra¬ schallsensor (20) und eine Austrittsöffnung für die Ultraschallsig¬ nale hat und mit einem im Schallweg angeordneten Hilfsreflektor (30), dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Hilfsreflektor (32) vorgesehen ist, der im vorgegebenen, bekannten Abstand R vom ersten Hilfsreflektor (30) angeordnet ist.5. Device for distance measurement by means of ultrasound with a measuring head which has a transmitting and preferably also receiving ultrasonic sensor (20) and an outlet opening for the ultrasonic signals and with an auxiliary reflector (30) arranged in the sound path, characterized in that a second auxiliary reflector (32) is provided, which is arranged at a predetermined, known distance R from the first auxiliary reflector (30).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse des Meßkopfes eine Einlaßöffnung für Gas oder Flüssigkeit vorgese¬ hen ist und daß gleichachsig zum Schall während der Messung eine zeitlich konstante Gas, bzw. Flüssigkeitsströmung (Pfeile 28) auf¬ recht erhalten wird.6. Apparatus according to claim 5, characterized in that an inlet opening for gas or liquid is provided in the housing of the measuring head and that a gas or liquid flow which is constant over time is obtained coaxially with the sound during the measurement (arrows 28) .
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hilfsreflektoren (30, 32) so identisch wie möglich ausgebil¬ det sind.7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the two auxiliary reflectors (30, 32) are ausgebil¬ det as identical as possible.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß die mechanische Verbindung zwischen den beiden Hilfsre¬ flektoren (30, 32) durch ein Material mit möglichst geringer Wärme¬ dehnung realisiert ist bzw. daß das entsprechende Material durch eine Temperiereinrichtung auf konstanter Temperatur gehalten wird.8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized gekennzeich¬ net that the mechanical connection between the two auxiliary reflectors (30, 32) is realized by a material with as little thermal expansion or that the corresponding material by a Temperature control device is kept at a constant temperature.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß ein Austrittsteil (42), an dem die beiden Hilfsreflektoren (30, 32) ausgebildet sind, lösbar mit dem eigentlichen Gehäuse des Meßkopfes verbindbar ist. 9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized gekennzeich¬ net that an outlet part (42) on which the two auxiliary reflectors (30, 32) are formed, is releasably connectable to the actual housing of the measuring head.
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